La fotorespiració és un procés que passa en el mesofil·le de la fulla, en presència de llum, i on la concentració d'O₂ és alta. Es realitza en plantes C₃ (especialment en època d'estiu on tanca els seus estomes per evitar pèrdua d'H₂O).
La Rubisco, continguda en el cloroplast, capta l'O₂ que reacciona amb la ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP) produint un 3-fosfoglicerat, molècula amb 3 carbonis, i un 2-fosfoglicolat (2-PG), molècula amb 2 carbonis. Aquest 2-PG de seguida és transformat a glicolat o àcid glicòlic per acció de l'enzim 2-fosfoglicolatfosfatasa. Aquest glicolat passa al peroxisoma mitjançant uns transportadors específics. Un cop dins el peroxisoma, el glicolat és oxidat, per acció de l'enzim glicolat oxidasa, mitjançant O₂ donant lloc a peròxid d'hidrogen (aigua oxigenada H₂O₂) i glioxilat. L'aigua oxigenada, molt tòxica per l'organisme és degradada en el peroxisoma per acció de la catalasa formant O₂ i aigua H₂O. Per transminació, el glioxilat és transformat en glicina. La glicina és transportada cap al mitocondri. Un cop dins el mitocondri, dues molècules de glicina reaccionen juntament amb un NAD+ per acció de la glicina descarboxilasa, produint una serina, aminoàcid amb 3 carbonis, 1 NADH, 1 amoni NH₄+ i un CO₂, que és on es perd un carboni. La serina passa de nou al peroxisoma, on és desaminada, transformant-se en hidroxipiruvat, que amb despesa d'un NADH es transforma en glicerat. Aquest glicerat passa al cloroplast, on és fosforilat per acció de la glicerat-cinasa, amb despesa d'un ATP, donant lloc a 3-fosfoglicerat.
Els 3-fosfoglicerats són incorporats al cicle de Calvin per regenerar la RuBP.
En conclusió la fotorespiració produeix despesa de RuBP i O₂, és un procés amb despesa energètica però permet recuperar 3 molècules de carboni en els 3-fosfoglicerat. Es perd un àtom de carboni en el CO₂ alliberat.
Es dona en tres orgànuls diferents: el cloroplast, el peroxisoma i el mitocondri.
El amino alliberat al mitocondri passa al cloroplast en forma de NH₃, la qual cosa mitjançant glutamina sintetasa permet transformar alfa-cetoglutarat a glutamat. El glutamat permet transformar serina a hidroxipiruvat al peroxisoma, mentre es transforma en alfa-ceto-glutarat.